手机快充能卷到200瓦,都得给它磕头。

本文原创于微信公众号:差评  作者:差评君

500 今年啊,手机市场不是一般的冷。

但这并不意味着手机本身没有进化,相反,手机有些功能的进化可能听起来一般般,但真用起来就感觉回不去了。

就像前两天,差评君玩了玩托尼测试用的 iQoo 10 Pro,那个 200W 的充电速度着实让人震惊,以至于这两天用回 iPhone 经常以为充电器坏了。

500

快充技术的进步得益于多方面,其中一个重要原因就是用上了氮化镓充电头。

要说氮化镓充电头的魔力,自然是来源于“ 氮化镓(GaN)”。

500

500 Emm,“ 氮化镓 ”其实是眼下最火热的第三代半导体的主要代表。

那什么是第三代半导体?它凭啥这么火?

今天差评君就好好说道说道。

其实呀,所谓的半导体是一类材料的总称,这类材料介于导体和绝缘体之间,能在一定条件下导电。

500

500 它和芯片就好比是金属和铁锅的关系,芯片是半导体材料做的,半导体可绝不只是芯片

但半导体材料不仅仅用来做了芯片,还有其他很多用处例如作为关键器件来光伏发电、做节能的 LED 灯,甚至还可以用来做“ 炒酸奶 ”。

500

500 不仅如此,半导体还分一、二、三代半导体,眼下最热门的就是第三代半导体。但大家不要误会,这里的一二三代之间并没有一代更比一代强的关系,更多还是指不同类别的半导体。

最为大家熟知的就是第一代半导体绝对主力:硅( Si ),大部分芯片就是在一整片纯度在 99.9999% 以上的单晶硅上刻蚀出来的。

在芯片里,硅就发挥了有条件导电的特性,被制作成一个个微型开关( 给条件就开,不给条件就关),千千万万个类似的微型开关组合起来就能完成很多复杂的命令,最终完成手机、电脑的运行。

直到目前,90% 以上的半导体产品仍是以硅制作

但是随着人类科技发展,大家慢慢发现硅在一些领域无法完美胜任工作。

500

500 举个例子,咱们手机里有种叫 PA(功率放大器)的芯片,主要作用就是将手机信号放大传输给基站,早期厂商们就是用硅作为主要制作材料。

但随着手机从 2G 转入 3G 再又发展到 4G,大家用手机在网上冲浪的速度是越来越快,对 PA 传输要求自然水涨船高。

500

这种情况下,硅质的 PA 芯片就出现了一系列问题,发热严重、损耗太多效率低、耐不住高电压等等,于是第二代半导体们就走上了历史舞台。

500 第二代半导体目前主要以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为主,相比于硅,它们可以更好地胜任高压、高频、高辐射的工作环境。

伴随着 3G、4G 的发展,光纤通信带来的高频高压工作场景越来越多,于是第二代半导体乘上了时代的东风,手机、基站都腾笼换鸟把硅给换了。

而在此之前,第二代半导体已经悄悄地走进千家万户了,最常见的例子就是 LED 灯,第二代半导体能够更高效地把电转化为光,也就是用更少的电能够发出更亮的光,所以用砷化镓做出来的 LED 灯取代白炽灯也是前些年节能减排的代表。

在第二代半导体火了之后,对它的研究也逐渐变多,使用场景也不断被开发。

500

500 还记得一举之力把手机拖入刘海屏浪潮的 iPhone X 吗?

苹果用上刘海屏的罪魁祸首 3D 结构光技术,用到了一款 VCSEL 激光器(垂直腔面发射激光器),而制作这款 VCSEL 激光器的关键材料就是砷化镓。随着物联网、元宇宙概念的逐步发展 ,对 VCSEL 的需求不断增多还将持续增加对第二代半导体的需求。

但砷化镓们的好日子还没过多久,科技又又进步了,很多应用场景变得更高压、更高频、更高功率,之前的第二代半导体又不够用了。

于是就轮到第三代半导体闪亮登场了!

第三代半导体学名其实叫“ 宽禁带半导体 ”,目前以氮化镓和碳化硅(SiC)为主。

可能你会问了,这个“ 宽禁带 ”是什么意思?

500

咱们用之前的核酸检测做例子。

500 假设有个核酸检测点爆满了,那它和离得最近的空核酸检测点的距离,就可以简易地理解成禁带。

如果中间距离小点,比如就三五百米,那不想排队的人就直接溜达去边上的;但如果中间距离大了,比如都有几公里了,那除非真有足够大的动力逼着过去,不然都只会忍忍排队算了。

在半导体里也是一样的,禁带越宽那让电子移动所需的能量( 通常是电压 )也就越高,所以,宽禁带半导体就更耐高压。

类似的,天气太热,大家更不愿意排队了,可检测点距离实在远,那大家可能忍忍也就过去了,所以宽禁带半导体还更耐高温。

500

500 同时,宽禁带半导体还有着“ 饱和电子漂移速度高 ”“ 二维电子气 ”等多种优势。

这些优势让第三代半导体在耐高压、耐高温之外,还有更快的开关速度、更低的通态电阻等特性。

最终呈现出来的就是小型、高效、驱动力强的“ 小钢炮 ”

500

就像大家最常见的氮化镓充电器,在手机厂商们内卷到拼出 200W 闪充的今天,硅就力不从心了,受不了高压、体积又大、发热又高、效率又低,可以说避开了每一个正确选项。

500 但用上了氮化镓,问题就迎刃而解了。

500

在充电方面,第三代半导体的另一位主力,碳化硅也有着亮眼表现。

500 不过和氮化镓充手机不一样,碳化硅充的是新能源车。

500

500 如今城市里代步的新能源车是越来越多了,对充电桩的需求也越来越多,但市区的地可是寸土寸金。

所以充电桩得尽可能保证充电速度的前提下,又要小巧不占地儿,还得足够抗水、防尘,传统的硅基器件还是老毛病。

这时候碳化硅顶着“ 全是优点 ”的帽子走进了厂商们视野。

“ 如狼似虎 ”的厂商们巴不得分分钟和硅划清界限。

再多说一句,建充电桩现在已经列入国家新基建的七大领域之一。

碳化硅的未来,我只能说 2 个字。

500 起飞。

500

不光是充电桩,碳化硅还被用在了新能源车本身。

如今新能源车企为了进一步解决里程焦虑,在电池能量密度提升已经遇到瓶颈的情况下,纷纷选择拥抱高压快充系统——800V 高电压平台( 简单理解成,可以实现充电 5 分钟,续航 200km )。

但问题也随之而来,搭载 800V 高电压平台的车型,意味着核心三电系统以及空调压缩机、DCDC(直流变压器)、OBC(车载充电机)等部件都需要在 800V 甚至 1000V 的高电压下工作。

500 这种情况下,硅基器件耐不住高电压、损耗率、开关损耗居高不下,碳化硅几乎是当下最好的选择。

500

比如特斯拉 Model 3,早早就将碳化硅用到了车子的主驱系统上,直接提升了 10% 的续航。

类似的例子咱也不多说了,反正现在热门的物联网、光伏、5G 等等这些行业,在使用传统半导体时遇到的几大痛点,刚好是第三代半导体材料的优势。

500 那这不巧了吗?

“ 第三代半导体这么完美,取代一二代半导体一统天下就分分钟的事了?”

想太多了。

500

一二三代半导体之间的关系更像是,汽车、火车和飞机,各有优势、谁也别提取代谁

硅的基本盘是占据了全球 99% 以上的集成电路市场,只有第三代半导体成功“ 偷家 ”,在 CPU、GPU 领域干掉硅,那才能算取代第一代半导体。

500

可目前看来第三代半导体是做不到了。

500 最主要的问题就是第三代半导体太难制取

我们都知道,硅元素在在地壳中含量极高,占比足足有 26.4% 仅次于氧(O),如今的工艺可以直接从二氧化硅矿石中提取并且高度提纯。

可氮化镓在自然界几乎没有,它需要在 10000 个大气压和 2000 度的高温下人工合成,结果就是氮化镓晶体单片动辄上万块一个

莫桑钻就是碳化硅 ▼

500

碳化硅也类似,在自然界除了极少量天然莫桑石(对,就是大家瞧不上的钻石平替“ 莫桑钻 ”,虽然不如钻石稀有,但用在大面积工业上也还是太奢侈了)之外,主要还是要从石油焦、石英石中经过各种复杂工艺进行制造。

500 对比硅来说,第三代半导体的制作又费时又费钱,甚至还不如第二代半导体省事。

尽管性能是好用,但耐不住人家便宜省事啊。

这年头,不消费降级就不错了,还指望升级呢?

500

而且就算真愿意花这么多代价去制取第三代半导体,它其实也并没有那么适配集成电路。

还记得前面说的,第三代半导体对比第一代半导体的优势吗?

耐高温、耐高压、可承受高频。

500 但问题是常见的集成电路(电脑、手机等其他民用智能设备)根本用不上这些优势。

不仅如此,几十年发展下来,硅所拥有成熟复杂的制作工艺、庞大的产业体系更是第三代半导体们所望尘莫及的。

500

制取困难、成本极高、没有突出优势、产业技术不成熟……这些问题也导致了第三代半导体没法成为半导体市场的主流力量。

500 据研究机构 TrendForce 预测,第三代半导体的主力氮化镓市场到 2025 年仅有 13.2 亿美元,而碳化硅也就 33.9 亿美元

500

500 与高达数千亿美元的半导体市场相比确实不够看,也难怪台积电董事长刘德音表示第三代半导体只是“ 特殊技术 ”。

产业不够大,就没有足够的动力去推进发展技术,技术进步不了没法应用到更广的行业,这样就形成了一个死循环。

500

不过虽然刘德音嘴上这么说,台积电的身体却很老实。

台积电早在 2014 年就开始在 6 英寸晶圆厂制造氮化镓组件;

2015 年开始生产用于低压和高压应用的氮化镓组件;

2017 年开始量产硅基氮化镓组件;

去年年底有传闻称台积电已具备 8 英寸量产能力。

虽说目前第三代半导体还略显小众,但并不妨碍这是半导体材料发展的一大方向。

不发展哪能进步,谁生下来就会跑呢?

500

而且,我国在传统半导体行业长期落后已经不是一天两天。

苦苦追了这么久,不能说毫无进步,但最多也就是略有改善。

可第三代半导体就不一样了,作为一个新兴技术,中西方站在同一起跑线。

一起开跑,咱还没怕过谁。

不说一举拿下下一代国际半导体生产链的主导权,至少总能保证不被国外卡脖子吧。

毕竟,华为的教训已经够深刻了。

内容来源:

驭势资本:第三代半导体-氮化镓技术洞察报告

半导体行业观察:你一定不知道的砷化镓

芯论语:第三代半导体材料的“心里话”

微型计算机:迈向全新的产业时代 三问三答第三代半导体材料

TrendForce:预估2025年动力电池对正极材料需求将突破215万吨

未来智库:第三代半导体专题报告:蓬勃发展,大有可为

Wikipedia:Semiconductor

500

全部专栏